基于事故树理论的LNG动力船风险分析
崔振威++谢澄++孔祥琦
摘 要：在全球变暖和节能减排的背景下，液化天然气（LNG）作为一种清洁能源，在船舶上的应用越来越广泛。分析了LNG动力船的潜在风险，然后应用事故树理论对LNG动力船进行风险评价，分析出LNG动力船主要风险因素，针对因素具体分析产生的原因，依据产生原因针对性给予风险控制方案。
关键词：LNG动力船 风险分析 事故树
近年来，随着我国内河航运的快速发展和对环境保护的日益重视，“气化长江”、“长江绿色物流创新工程”等内河船舶“油改气”项目不断推进。作为推进LNG燃料动力船舶发展的重要前提，LNG燃料动力船舶的安全保障是需要首先解决的重要问题。由于液化天然气（LNG）的主要成份是可压缩、易燃气体甲烷，其可能产生燃烧、爆炸、冻伤、窒息等事故危害，将其作为船舶燃料，其所存在的安全风险仍然是需要解决的首要问题。但LNG动力船在国内的研究还处于初级阶段，很多规范措施均还处于研究阶段。LNG动力船风险评价研究的较少，因此，LNG动力船风险评价方面存在研究不够深入、评价体系不健全、评价方法空缺等问题。而良好的LNG动力船风险评价是动力船安全运营的根本前提与保障，因此，针对此种矛盾，本文将针对国内LNG动力船风险评价进行相应的研究。
LNG动力船风险分析
1、LNG风险分析
1.1 LNG 火灾类型
LNG 的风险性来自于火灾、物理/化学爆炸以及低温危害可能造成的伤害。其火灾类型主要有三种：
池火（Pool Fire）。当LNG从储罐或管道泄漏时，受外界热源和流淌面积等因素影响可能形成液池。处于液池中的LNG和液池壁面及空气发生热交换，一些LNG蒸发，若遇到合适的点火源着火，火焰将回燃至泄漏点，从而导致池火灾。
喷射火（Jet Fire）。从储罐或管道泄漏的 LNG，通过泄漏孔口时可能形成气体喷射物，进而卷吸并与周围空气混合，如果混合物中可燃域限内遇到点火源就会发生喷射火。喷射火是柱状喷射的燃烧火焰，由泄漏的动力主导，产生的热辐射受很多因素的影响，包括失效类型（如泄漏、破裂）、泄漏速率、泄漏方向和风的作用等。
闪火（Flash Fire）。LNG 储罐系统的设备、管道、阀门等一旦发生 LNG 泄漏，泄漏点形成的可燃 NG 经过一定时间的扩散和与空气的混合，一旦遇到火源极可能发生闪火危害。
1.2 LNG的爆炸风险主要有下列两种
蒸气云爆炸。LNG 泄漏挥发气与空气混合，随空气流动，在较为密闭的空间遇点火源，形成蒸气云爆炸。
沸腾液体扩展蒸气爆炸（BLEVE）。当储罐受到火源烘烤、撞击或机械失效时，储罐突然开裂，大量液化气体由罐内喷出，伴随剧烈相变，遇火源则会发生 爆炸，或者储罐发生超压物理爆炸后，大量蒸气泄漏，遇火源发生BLEVE。
2、LNG动力船风险分析
根据液化天然气的危险特性风险，以“内河LNG燃料动力船危险事件”为顶事件建立事故树。主要的危险事件包括火灾、超压物理爆炸、化学爆炸和低温危害，由四种主要的危险事件，建造事故树，从顶事件起逐级分析各自的直接原因事件，直到所要求的危险因素的基本事件。事故树共6层，基本事件9个。具体如图1所示。
LNG动力船风险致因分析
结合图1可知，在LNG燃料动力船中，9种基础事件最容易发生风险即事故树中出现次数最多的三个事件为：P3（点火源）、 P4（LNG 泄漏）、 P2（LNG 储罐超压）。因此本节将从此三方面分析并找出其发生的根本原因。
1、 LNG泄漏分析
LNG泄漏分为3大部分：储罐泄漏、管道泄漏、阀门等附件泄漏。LNG储罐可能因表面裂纹、破损、穿孔等原因造成泄漏。LNG储罐系统的阀门、法兰、接头和容器与管道的连接处等，是LNG最容易产生泄漏的地方。从人/机系统角度考虑，造成各种LNG泄漏主要有人员失误、设备故障、极端环境、安全管理不当这4方面原因。
人员失误主要表现为：①违章指挥、违章操作和误操作；②作业期间，在缺乏有效的联络和指挥的情况下擅自操作；③思想不集中、粗心大意；④发现异常问题不知如何处理；⑤擅自脱离岗位。
设备故障主要包括：①设计失误；②设备选材不当；③加工质量差；④施工和安装精度不高；⑤金属部件低温收缩和长时间的磨损、疲劳、腐蚀、老化等原因；⑥安全控制和技术措施失效。⑦LNG储罐、管道等设备设施的保温、隔热等措施失效，将造成LNG的大量蒸发，系统压力上升。
极端环境主要包括：①持续高温天气等自然灾害；②船舶触碰事故；③船舶自沉事故。
安全管理不当主要包括：①对安装的设备为进行严格的验收；②没有制定完善的安全操作规程；③没有制定严格完整的安全管理规章制度，或执行监督检查制度不严，管理力度不够；④岗位工人生产技能和安全培训不够，对危险品特性缺乏了解，经验不足不能判断异常状况；⑤检修制度不严，对储存设备/安全可靠性缺乏认真的检验分析和评估。
2、点火源分析
LNG燃料动力船的点火源主要包括以下几方面：
2.1船上吸烟
少数作业人员，尤其是部分外来人员（如外来施工人员、参观人员等），由于安全意识较差，在 LNG 燃料动力船内及附近危险地带吸烟的现象是可能出现的。
2.2静电放电
LNG燃料船在航行、加注过程中，受到搅动、冲击容易产生和积聚静电荷。若管道系统的防静电措施为落实或效果较差，不易及时消除则容易静电累积产生火花
2.3电火花和电弧
LNG燃料动力船中的供配电系统、仪器仪表控制系统等电气设备，由于设计不合理、安装存在缺陷或防爆等级不匹配等，运行时会因短路、过载、接触不良、散热不良、漏电等，产生电火花、电弧或高温表面，从而可能引发火灾、爆炸事故。
2.4其它火源
LNG 燃料动力船舶及泊位附近水域的其他船只上生活设施用火不当，或排烟口夹带火焰，都有可能引发火灾爆炸事故。
3、储罐超压分析
LNG 储罐超压由以下原因引起：
船舶航行、LNG充装作业中，人为操作失误。
LNG燃料加注过程中，当充装的LNG与罐内原有LNG存在密度差、组分差异时，有可能导致LNG分层翻滚，从而导致LNG储罐超压。
船上发生碰撞、搁浅、高空物体坠落等突发事件时，LNG储罐受到冲击，也可能导致储罐内部压力增大。
在极端高温情况下，LNG储罐保温装置失效，也可能引发LNG储罐内部压力增大。
风险控制方案
1、LNG泄漏控制方案
对LNG泄漏控制主要要从设备的设计、制造、管理等方面采取控制方案，具体如下：①储罐按GB150等压力容器标准设计，同时考虑船舶的附加动态载荷；②罐内设置防波板，以防晃荡对储罐造成损伤；③对鞍座、内外罐支撑结构评估时，应建立详细的计算模型，开展应力分析，确保支撑结构安全；④储罐与船体采用非刚性连接，则可降低船体的变形对燃料罐的影响；⑤燃气管路上应尽量避免使用法兰接头，如确不可行，应将其置于阀箱内；⑥储罐连接接头空间需气密、保压或通风，采用低温材料，并对船舶钢板隔热处理；⑦储罐主阀探测到气体泄露时能自动关闭，深冷阀件设置在“冷箱”内，并在可能泄漏位置设置集液盘；⑧为防止加注时的意外对储罐造成损伤，应在加注管上设置紧急脱离装置或拉断阀。
2、点火源控制方案
从避免可燃气体、氧气和点火源在同一场所的角度，提出以下控制方案：①机舱周围舱室是没有特殊要求的普通机器处所；②用于推进和操控的电站必须分开布置在 2 个或以上的相互独立的机舱；③燃气舱安全泄放阀出口布置在远离工作区域和走道的处所；④合理布置机舱内的燃气管路，尽量使其接头、阀件处于相对较高的位置；⑤船上尽可能采用不燃材料。
3、储罐超压控制方案
从储罐及其控压安全附件的设计、布置等方面，提出以下控制措施：①应设定船用燃料罐的合理充装极限，并设施高液位报警和关闭装置；②以正确的频率检查测试安全阀等安全设备；③首次充装应使用液氮作为介质，其目的是用于储罐降温，并测试相关报警和安全控制的功能；④为防止软管布置不利造成燃料罐加注时压力不稳定，应采用合理的软管布置方案；⑤为减少燃料加注时由于温度不对等，导致 LNG 迅速蒸发超压的现象，应设定温度测量装置以控制充装程序；⑥气罐压力释放阀的位置，应当在国内相关范围的充装极限下，当船舶处于横倾15°和纵倾 5°情况下，压力释放阀的位置仍处于气相空间内。
结论
结合事故树理论分析可知，在我国LNG动力燃料船运营过程中，最容易发生事故的因素为LNG泄漏、点火源和储罐超压三种基础事件。
造成各种LNG泄漏主要有人员失误、设备故障、极端环境、安全管理不当这4方面原因；点火源主要来自于线路的老化或外来火种；储罐超压主要来自加注过程中密度组分不同或外力的冲击。
针对三种基础事件给予了风险控制方案，可为LNG燃料动力船的安全营运提供参考及借鉴。
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项目支持：交通运输部建设科技项目（2013 328811530）“内河LNG燃料动力船及配套水上加气站安全保障关键技术研究”
（作者单位：武汉理工大学航运学院）
